Der Fahrzeugantrieb. Herausgegeben von Helmut List. Wissenschaftlicher Beirat K. Kollmann, H. P. Lenz, R. Pischinger R. D. Reitz, T.

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2 Der Fahrzeugantrieb Herausgegeben von Helmut List Wissenschaftlicher Beirat K. Kollmann, H. P. Lenz, R. Pischinger R. D. Reitz, T. Suzuki

3 Helmut Eichlseder Manfred Klüting Walter F. Piock Grundlagen und Technologien des Ottomotors Der Fahrzeugantrieb SpringerWienNewYork

4 Dipl.-Ing. Dr. Helmut Eichlseder Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Technische Universität Graz, Graz, Österreich Dr.-Ing. Manfred Klüting BMW AG, München, Deutschland Dr. Walter F. Piock AVL List GmbH, Graz, Austria Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, das Nachdruckes, der Entnahme von Abbildungen, der Funksendung, der Wiedergabe auf photomechanischem oder ähnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Produkthaftung: Sämtliche Angaben in diesem Fachbuch (wissenschaftlichen Werk) erfolgen trotz sorgfältiger Bearbeitung und Kontrolle ohne Gewähr. Insbesondere Angaben über Dosierungsanweisungen und Applikationsformen müssen vom jeweiligen Anwender im Einzelfall anhand anderer Literaturstellen auf ihre Richtigkeit überprüft werden. Eine Haftung des Autors oder des Verlages aus dem Inhalt dieses Werkes ist ausgeschlossen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen in Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz- Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürfen Springer-Verlag/Wien Printed in Austria Datenkonvertierung: Thomson Press (India) Ltd., Chennai Druck: Druckerei Theiss GmbH, A-9431 St. Stefan im Lavanttal Gedruckt auf säurefreiem, chlorfrei gebleichtem Papier TCF SPIN Mit 262 Abbildungen Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. ISSN ISBN SpringerWienNewYork

5 Vorwort Im Rahmen der von Hans List herausgegebenen Reihe Die Verbrennungskraftmaschine wurde die Gemischbildung und Verbrennung im Ottomotor bereits erstmals vor 40 Jahren in einem Werk von K. Löhner und H. Müller behandelt verfasste H. P. Lenz, dem fortgeschrittenen Stand der Technik entsprechend, eine neue Ausgabe. Seit dieser Zeit hat beim Ottomotor eine rasante und von vielen im Ausmaß unerwartete Entwicklung stattgefunden. Auf Anregung von Prof. Helmut List wurde das vorliegende Buch erstellt, um dieser Entwicklung Rechnung zu tragen. Sein Engagement und seine Unterstützung haben dieses Werk in der vorliegenden Form ermöglicht, wofür wir ihm herzlich danken. Die Entwicklung des Ottomotors wurde in den letzten Jahren von weiterer Emissionsminderung und Volllaststeigerung, aber vor allem von der CO 2 -Emissions- und damit Verbrauchsminderung vorangetrieben. Das dazu erforderliche Wissen um die Grundlagen der ottomotorischen Gemischbildung und Verbrennung konnte im gleichen Zeitraum mit neuen Diagnostik- und Simulationsverfahren erarbeitet und wesentlich erweitert werden. Die mit diesen Erkenntnissen aktualisierten Grundlagen des ottomotorischen Arbeitsprozesses und die heute relevanten Rahmenbedingungen bilden den ersten Teil des vorliegenden Werkes. In weiteren Kapiteln wird wesentlichen Neuentwicklungen bei Komponenten und konzeptioneller Gestaltung von Ottomotoren Rechnung getragen. An die Stelle der früher einen großen Raum einnehmenden Vergasertechnik sind überwiegend elektronisch geregelte Gemischbildungssysteme getreten. Diese als Saugrohr- oder Direkteinspritzung ausgeführten Systeme erweitern die Funktionalität des Ottomotors essentiell. Mit den neuen Freiheitsgraden wird die Möglichkeit für neue ottomotorische Konzepte wie beispielsweise vollvariable Ventilsteuerung, geschichtete Verbrennung und homogene Selbstzündung geschaffen. Entsprechend ihrer Bedeutung wird diesen neuen Technologien ein Kapitel gewidmet, das darüber hinaus einen Ausblick auf alternative Kraftstoffe bis hin zur zukunftsweisenden Wasserstofftechnologie gibt. Ergänzend werden die für diese Technologien erforderliche Motorsteuerung und Abgasnachbehandlung behandelt. Bei der Verfassung des Buches haben uns mehrere Fachleute durch Diskussion, Korrekturlesen des Textes und Anregungen wesentlich unterstützt, wofür ihnen herzlicher Dank gebührt. Besonders zu erwähnen sind an dieser Stelle Prof. Dr. Rudolf Pischinger, Dr. Günter Fraidl und Prof. Dr. Ulrich Spicher, die mit ihrem Fachwissen zum Gelingen des Werkes beigetragen haben. Teile des Bildmaterials, vor allem ausgeführte Komponenten und Ausführungsformen, wurden ebenso wie die zugehörigen technischen Daten von Fahrzeug- und Komponentenherstellern bereitgestellt, wofür wir unseren Dank aussprechen möchten. Frau Sabrina Kohlhofer wollen wir für die Koordinationsarbeiten bei der Verfassung des Manuskriptes danken. Sie hat diese aufgrund der Arbeitsbelastung und räumlichen Entfernung der Autoren und des Verlages durchaus herausfordernde Aufgabe mit bewundernswerter Übersicht und Geduld gelöst.

6 VI Vorwort Einem weiteren Mitarbeiter des Institutes für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik, Herrn Christian Perktold, gebührt besonderer Dank. Leider ist es uns nicht mehr möglich, diesen Dank persönlich auszusprechen: Er wurde in der Fertigstellungsphase dieses Buches durch ein tragisches Lawinenunglück aus unserem Team gerissen. Er wird uns mit seiner offenen, lebendigen und liebenswürdigen Art in Erinnerung bleiben. Im nun vorliegenden Buch werden die Grundlagen der innermotorischen Vorgänge im Ottomotor, deren Regelung sowie die Abgasnachbehandlung und neue Technologieansätze entsprechend dem aktuellen Stand der Technik und aufbauend behandelt. Dieses Werk wendet sich an Studierende und Ingenieure in Forschung und Entwicklung, aber auch an interessierte Praktiker. Diesen soll es als Lern- und Arbeitsbehelf sowie als Nachschlagewerk dienen. Helmut Eichlseder, Manfred Klüting, Walter F. Piock

7 Inhaltsverzeichnis Formelzeichen, Indizes und Abkürzungen XII 1 Historie und Rahmenbedingungen Historie Rahmenbedingungen Testzyklen Abgasgesetzgebung USA und Kalifornien Abgasgesetzgebung Europa Abgasgesetzgebung Japan Regelungen zur Verbrauchsreduzierung Technologien 8 2 Motorischer Arbeitsprozess Merkmale und Einteilung Kenngrößen Leistung und Mitteldruck Verdichtungsverhältnis Wirkungsgrad Energiebilanz und Verlustanalyse Sonderverfahren Lastregelung mit vollvariablen Ventiltrieben Miller-Cycle Atkinson-Cycle 20 3 Kraftstoffe Zusammensetzung und Aufbau Reine Kohlenwasserstoffe Sauerstoffhältige Kohlenwasserstoffe Kraftstoffzusätze Gasförmige Kraftstoffe Eigenschaften Flüssige Kraftstoffe Heizwert und Gemischheizwert Zündwilligkeit und Klopffestigkeit Gesetzliche Anforderungen an Otto-Kraftstoffe 30

8 VIII Inhaltsverzeichnis 3.3 Herstellung von Otto-Kraftstoffen Herstellung aus Mineralöl Alternative Herstellmethoden für flüssige Kraftstoffe Bereitstellung von Wasserstoff Energie- und Emissionsbilanzen Well to Tank 35 4 Gemischbildung Grundlagen der Gemischbildung Zerstäubung Charakterisierung von Tropfenspektren Verdampfung Numerische Methoden zur Berechnung der Gemischbildung Äußere Gemischbildung Zentrale Gemischbildung Dezentrale Gemischbildung Innere Gemischbildung Zylinderströmung und Einspritzung Mischungsprozess Interaktion des Einspritzstrahls mit einer Wand Charakterisierung der Gemischbildung Einspritzstrahl Gemischbildung und Motorgeometrie 70 5 Gemischbildner Vergaser Einfacher Kraftfahrzeug-Vergaser Elektronischer Vergaser Gleichdruckvergaser Schiebervergaser Zentraleinspritzung Saugrohr-Einzeleinspritzung Aufbau eines Saugrohr-Einspritzventils Zumessung und Aufbereitung Einblaseventil für gasförmige Kraftstoffe Elektrische Ansteuerung und Durchflussverhalten Benzin-Direkteinspritzung Drallinjektor Injektor mit Mehrlochdüse Injektor mit Schlitzdüse Nach außen öffnende Düse Direkte Gemischeinblasung Hydraulische Anforderungen an das Kraftstoffversorgungssystem Niederdruck-Kraftstoffsystem Hochdruck-Kraftstoffsystem 95 6 Ladungswechsel und Strömung Kenngrößen des Ladungswechsels 97

9 Inhaltsverzeichnis IX Spülung Abgasrückführung Auslegung Wellendynamische Aufladeeffekte Schwingrohraufladung Resonanzaufladung Auslegungsbeispiele Aufladung Mechanische Aufladung Abgasturboaufladung Erweiterte Turboaufladung Impulsaufladung Strömung im Motor Zündung und Entflammung Grundlagen der Funkenzündung Zündvorgang Entflammungsphase und Flammenkernbildung Zyklische Schwankungen und Entflammung Zündsysteme für Funkenzündung Spulenzündung Hochspannungs-Kondensatorzündung Mehrfunkenzündung und Wechselstromzündung Magnetzündung Zündkerze Funktion und Anforderungen Aufbau Betriebstemperatur und Wärmewert Elektrodengeometrie und Funkenstrecke Funkenlage Ionenstrommessung Alternative Zündsysteme Oberflächenzündung Plasmastrahlzündung Laserzündung Sonderzündverfahren Verbrennung Grundlagen und Ziele Thermodynamik der Verbrennung Luftbedarf und Luftverhältnis Energiebilanz und Heizwert Zusammensetzung und Stoffwerte des Verbrennungsgases Reaktionskinetik Zündprozesse Strahlung der Flamme Ionisation der Flamme 145

10 X Inhaltsverzeichnis 8.3 Flammenausbreitung Laminare Flammenausbreitung Turbulente Flammenausbreitung Limitierte und nichtlimitierte Schadstoffe, Schadstoffbildung Nichtlimitierte Schadstoffe Limitierte Schadstoffe Schadstoffentstehung Homogene Selbstzündung Verbrennungsanomalien Glühzündungen Klopfende Verbrennung Abgasnachbehandlung Abgasnachbehandlung bei λ = 1-geregelten Motoren Emissionen im Testzyklus Reaktionsmechanismen Funktion des λ = 1-geregelten Dreiwege-Katalysators Systemoptimierung Systemerweiterungen Abgasnachbehandlung mit λ>1-geregelten Motoren Funktion des DeNO x -Katalysators Systemoptimierung der mageren Abgasnachbehandlung Alternative Nachbehandlungskonzepte Ottomotorische Technologien Zielfelder Konventioneller Ottomotor mit Saugrohreinspritzung Ventiltriebskonzepte Variabilitäten der Sauganlagen Variabilitäten der Ventiltriebe (teilvariable Ventiltriebe) Restgassteuerung Variable Ladungsbewegung Vollvariabler Ventiltrieb Drosselfreie Laststeuerung mit vollvariablen Ventiltrieben Der mechanisch vollvariable Ventiltrieb Der elektromechanische Ventiltrieb Der elektrohydraulische Ventiltrieb Variables Verdichtungsverhältnis Zylinderabschaltung Benzin-Direkteinspritzung Homogene Brennverfahren mit Direkteinspritzung Schichtkonzepte der ersten Generation wand- und luftgeführte Brennverfahren Schichtkonzepte der zweiten Generation strahlgeführte Brennverfahren Downsizing Kontrollierte homogene Selbstzündung 211

11 Inhaltsverzeichnis XI Zweitakt-Kleinmotoren Großgasmotoren Rotationskolben-Motoren Brennverfahren für alternative Kraftstoffe Flüssiggas Erdgas Methanol und Ethanol Wasserstoff Motorsteuerungen Systembeschreibung Modellbasierte Funktionsstruktur Drehmomentbasierte Funktionsstruktur Vernetzte Funktionsstruktur Funktionen Allgemeine Funktionen Diagnose- und Sicherheitskonzepte 243 Anhang 245 Literatur 248 Namen- und Sachverzeichnis 260

12 Formelzeichen, Indizes und Abkürzungen Formelzeichen a, α Aufladegrad [ ] A (Querschnitts-)Fläche [m 2 ] b spezifischer Kraftstoffverbrauch [g/kw h] b e effektiver spezifischer Kraftstoffverbrauch [g/kw h] C elektrische Kapazität [F] d Zylinderdurchmesser [m] d T Tropfendurchmesser [m] d V Ventildurchmesser D (charakteristischer) Durchmesser [m] DF Downsizing-Faktor [ ] D (mittlerer Tropfen-)Durchmesser [m] (auch [mm, μm]) D 32 Sautertropfendurchmesser [m] (auch [mm, μm]) E elektrische Energie [J]; Exergie [J] h spezifische Enthalpie [J/kg] h u Heizwert (bezogen auf 1 kg Verbrennungsgas) [J/kg] H Enthalpie [J] H G, H G Gemischheizwert [J/m 3 ] H m molare Enthalpie [J/kmol] H o Brennwert (früher: oberer Heizwert) [J/kg] H u Heizwert (früher: unterer Heizwert) [J/kg] (alle Heizwerte auch [kj/kg, MJ/kg]) H u Heizwert (bezogen auf 1 kmol Verbrennungsgas) [J/kmol] H v, H p Heizwert bei v = konst. bzw. p = konst. [J/kg] i Laufvariable (1, 2,..., n) I elektrische Stromstärke [A] K c Gleichgewichtskonstante (bezogen auf Konzentrationen) [ ] K p Gleichgewichtskonstante (bezogen auf Partialdrücke) [ ] L Luftbedarf [kg/kg B ] (auch andere Einheiten möglich) L P leistungsbezogener Luftdurchsatz [kg/kw s] (auch andere Einheiten möglich) L st stöchiometrischer Luftbedarf [kg/kg B ] m Masse [kg] oder [kmol]; Formfaktor (des Vibe- Brennverlaufs) [ ] m A,m E insgesamt ausströmende, einströmende Gasmasse [kg] m AG, Abgasmasse [kg], intern, extern rückgeführte m AGi, Abgasmasse [kg] m AGe m B, m L Brennstoffmasse [kg], Luftmasse [kg] m Fr, m Sp Frischladungsmasse [kg], Spülmasse [kg] m RG, Restgasmasse [kg], Verbrennungsgasmasse [kg] m VG ṁ Massenstrom [kg/s] ṁ B,ṁ L Massenstrom Brennstoff, Luft [kg/s] (auch kg/h möglich) M d (Motor-)Drehmoment [N m] n Anzahl; (Motor-)Drehzahl [min 1 ], manchmal auch [s 1 ]; Polytropenexponent [ ] Oh Ohnesorgezahl [ ] p Druck, Partialdruck [bar, Pa] p 0 Standarddruck, p 0 = 1 atm = 1,013 bar p i, p e indizierter Mitteldruck [Pa], effektiver Mitteldruck [Pa] (auch [kpa, bar]) p m, p r Mitteldruck [bar], Reibungsmitteldruck [bar] P Leistung [W, kw] P e effektive Leistung [kw] q spezifische Wärme(menge) [J/kg] Q Wärmestrom [W] Q Wärme [J]; elektrische Ladung [C] Q a äußere Wärme [J] Q rev reversible Wärme [J] dq B /dϕ Brennverlauf [J/KW] dq H /dϕ Heizverlauf [J/KW] dq W /dϕ Wandwärmeverlauf [J/KW] r Kurbelradius [m]; spezifische Verdampfungswärme [J/kg] R spezifische Gaskonstante [J/kg K]; elektrischer Widerstand [ ]; Tropfenradius [m] (auch [mm, μm]) R m allgemeine (molare) Gaskonstante: R m = 8314,3 J/kmol K Re Reynoldszahl [ ] s Länge, Höhe, Kolbenhub, Wanddicke [m]; Schichtdicke (des Gaskörpers, der Flamme) [m]; Flammengeschwindigkeit [m/s]

13 Formelzeichen, Indizes und Abkürzungen XIII S Entropie [J/K] t Zeit [s]; Temperatur [ C] T Temperatur [K] U elektrische Spannung [V]; innere Energie [J] v spezifisches Volumen [m 3 /kg]; (Teilchen-) Geschwindigkeit [m/s] V Volumen [m 3 ], Zylindervolumen [m 3,dm 3 ] V Volumenstrom [m 3 /s] V c Verdichtungsvolumen [m 3 ] V h, V H Hubvolumen eines Zylinders, Hubvolumen des gesamten Motors [m 3 ], Hubvolumen [m 3 ] (auch [l]) VPI Varianz-Koeffizienz des indizierten Mitteldruck [%] w spezifische Arbeit [J/kg] w V spezifische Volumänderungsarbeit [J/kg] W Arbeit [J] W e, W i effektive Arbeit, innere (indizierte) Arbeit [J] W v, W V Arbeit des vollkommenen Motors, Volumänderungsarbeit [J] We Weberzahl [ ] x Feuchtegrad [ ]; Strecke, (Kolben-)Weg, Koordinate [m]; Durchbrennfunktion des Brennverlaufs, Umsetzrate [, %] x AG, Abgasanteil [ ]; Restgasanteil [ ]; Verbrenx RG, nungsgasanteil [ ] x VG x AGe externe Abgasrückführrate [ ] y Koordinate [m] z Koordinate [m]; Zylinderzahl [ ] Z D Drallzahl [ ] Z T Tumblezahl [ ] α ε ε Aufladegrad [ ]; Wärmeübergangskoeffizient [W/m 2 K]; Kontraktionsziffer (Durchflusszahl) [ ] Differenz zweier Größen Verdichtungsverhältnis [ ]; Dissipation Verdichtungsverhältnis des Zweitakt-Motors [ ] ζ u Umsetzungsgrad [ ] η molekulare (dynamische) Viskosität; Wirkungsgrad [ ] η C Wirkungsgrad des Carnot-Prozesses [ ] η e,η i effektiver Wirkungsgrad, indizierter (innerer) Wirkungsgrad [ ] η g Gütegrad [ ] η gl Gleichraumgrad [ ] η LLK Ladeluftkühler-Wirkungsgrad [ ] η m mechanischer Wirkungsgrad [ ] η s-i, K, innerer isentroper Wirkungsgrad des η s-i,t Kompressors (Verdichters), der Turbine [ ] η th thermodynamischer Wirkungsgrad [ ] η v Wirkungsgrad des vollkommenen Motors [ ] κ Isentropenexponent [ ] λ Schubstangenverhältnis [ ]; Wärmeleitfähigkeit, Wärmeleitzahl [W/m K]; Wellenlänge [m] λ, λ V, Luftverhältnis (Luftzahl), Verbrenλ VG nungsluftverhältnis, Luftverhältnis des Verbrennungsgases [ ] λ a Luftaufwand [ ] λ f Fanggrad [ ] λ l Liefergrad [ ] λ s Spülgrad [ ] μ Durchflusszahl [ ]; Überströmkoeffizient [ ] μσ Durchflusskennwert [ ] ρ Dichte [kg/m 3 ] σ Versperrungsziffer [ ]; Oberflächenspannung [N/m 2 ] σ pi Standardabweichung des indizierten Mitteldruckes [Pa] (auch [kpa, bar]) Summe ϕ Kurbelwinkel [ KW]; Geschwindigkeitsbeiwert [ ] Equivalence Ratio (= 1/λ) [ ] ψ Durchflussfunktion [ ] ω Winkelgeschwindigkeit [s 1 ] Weitere Indizes und Abkürzungen 0 Bezugs- oder Standardzustand ab abgeführt(e Wärme) 1 Zustand (im Querschnitt, am Punkt) 1 AGR Abgasrückführung 2 Zustand (im Querschnitt, am Punkt) 2 AÖ Auslass öffnet 10 geometrisch gewichtet abs absolut 20 oberflächengewichtet AS Auslass schließt; Arbeitsspiel 30 volumengewichtet ATL Abgasturboaufladung, Abgasturbolader 1-D eindimensional B Brennstoff, Kraftstoff, Benzindampf; 3-D dreidimensional Zylinderbuchse; Behälter bez, Bez bezogen, Bezug a aus, außen, äußere CFD Computational Fluid Dynamics A (Zylinder-)Auslass CZ Cetanzahl

14 XIV Formelzeichen, Indizes und Abkürzungen diff DNS dyn e E EB ECU EÖ ES FEM Fl FSN Fu G GD-V ges GRGD- V GR-V HD HIL i id inj k K Konv konst. KW L lam Leck LES LIF LL LLK LW m max Mess min Diffusion direkte numerische Simulation dynamisch effektiv; ein, (Behälter-)Eintritt; eingebracht (Zylinder-)Einlass Einspritzbeginn Engine Control Unit Einlass öffnet Einlass schließt Finite-Elemente-Methode Flamme, Flüssigkeit Filter Smoke Number (Schwärzungszahl) Funken Gas, gasseitig; Gemisch Gleichdruck-Verbrennung gesamt kombinierte Gleichraum-Gleichdruck- Verbrennung Gleichraum-Verbrennung Hochdruck(phase) Hardware in the Loop innen, indiziert ideal Injektor kritisch Kraftstoff Konvektion konstant Kurbelwinkel Luft laminar Leckage, Blow-by Large Eddy Simulation (Grobstruktursimulation) Laser induzierte Interferenz Leerlauf Ladeluftkühler Ladungswechsel mittel; molar maximal Messung minimal MKS ND NT Öl opt OT Pl r real red rel RG rl rv s S st SZ t T th TL u Ü UT uv v V VB VD VE VL VT w W WOT WV Z ZOT zu ZV ZZP Mehrkörpersysteme Niederdruck(phase) Nutzturbine Öl optimal oberer Totpunkt Plasma Reibung real reduziert relativ Restgas reale Ladung realer Verbrennungsablauf isentrop, bei s = konst.; zur Spülung; spät Grenze stöchiometrisch; stabil; stationär; statisch Schwärzungszahl turbulent Tropfen; Turbine theoretisch; thermodynamisch Teillast; Turbolader unverbrannt Überströmunterer Totpunkt unvollkommene Verbrennung verbrannt(e Zone); vollkommen; vor(laufende Welle) Ventil; Verlust Verbraucher; Verbrennungsbeginn Verbrennungsdauer Verbrennungsende Vollast Verdichterturbine wirksam Wand(wärme); Wasser Wechsel-OT Wandverlust Zylinder Zünd-OT zugeführt(e) (Wärme) Zündverzug Zündzeitpunkt